小型高功率電源適配器設(shè)計(jì)方案

電源適配器生產(chǎn)廠(chǎng)家移動(dòng)設(shè)備制造商正不時(shí)增加電池容量來(lái)適應(yīng)移動(dòng)設(shè)備不時(shí)增加的社交網(wǎng)絡(luò)、視頻流、游戲、超高清屏幕和其他高耗電的應(yīng)用。這些大容量電池需要功率更高的電源適配器，來(lái)確保充電時(shí)間不會(huì)增加。而制造商并不愿意為其新智能手機(jī)和平板電腦配備尺寸更大的適配器來(lái)提供更高的功率，所以適配器只能在現(xiàn)有尺寸基礎(chǔ)上支持更高的功率。這就需要采用更小的元件以及具有更高的轉(zhuǎn)換效率，才干確保電源適配器外殼溫度不會(huì)超出制造商的要求。

另外，將于2016年生效的新外置電源規(guī)范，將使現(xiàn)有的一般用于電源適配器的非同步整流反激（flyback變換拓?fù)鋷缀醪豢赡軡M(mǎn)足低的效率要求。同步整流技術(shù)可以提高效率，使電源適配器能夠滿(mǎn)足這些新規(guī)范的要求，并堅(jiān)持外殼溫度不上升，但如果考慮不周，本錢(qián)和尺寸有可能增加到不可接受的水平。所以我需要新技術(shù)來(lái)提高效率，同時(shí)又能將元件數(shù)量控制在少水平，從而不增加電源適配器的本錢(qián)和尺寸。

圖1.具有非同步整流輸出A和同步整流輸出B反激轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化電路

便攜式電源適配器把輸入線(xiàn)路電壓（90Vac-265Vac降至適合便利式設(shè)備需要的電壓。實(shí)現(xiàn)該功能經(jīng)濟(jì)有效的離線(xiàn)轉(zhuǎn)換拓?fù)涫且环N簡(jiǎn)單的非同步反激（flyback轉(zhuǎn)換器，可以提供足夠高的效率來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)行電源規(guī)范的要求。如果把相同的非同步反激轉(zhuǎn)換器拓?fù)溆糜跒榇笕萘侩姵爻潆姷母吖β拭芏鹊男滦捅銛y式電源適配器，其損耗及散熱需要會(huì)高很多，從而導(dǎo)致外殼溫度達(dá)到無(wú)法接受的水平。同時(shí)，隨著外置電源規(guī)范對(duì)低效率的要求變嚴(yán)格，非同步方案達(dá)到實(shí)際極限而無(wú)法完成該低效率目標(biāo)(1

目前市場(chǎng)上的典型10W5V2A 輸出功率便攜式電源適配器的平均轉(zhuǎn)換效率在75-80%能夠符合先行的電源規(guī)范，并使峰值負(fù)荷條件下的功率損耗在2-2.5W范圍之內(nèi)。這些電源適配器中使用的非同步整流反激拓?fù)湔＿\(yùn)行時(shí)電源適配器肯定會(huì)發(fā)熱，但保持在可控范圍內(nèi)。而在功率達(dá)到15W時(shí)，同樣的80%效率會(huì)多產(chǎn)生50%功率損耗，嚴(yán)重增加電源適配器外殼的溫度。將于2016年生效的新規(guī)范要求低效率>84%這個(gè)目標(biāo)對(duì)于規(guī)范反激轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)非常困難。如果在二次側(cè)使用同步整流技術(shù)，可使效率提高到低要求水平以上，并使電源適配器外殼溫度堅(jiān)持在可控范圍內(nèi)。

為更好地說(shuō)明這一點(diǎn)，對(duì)低正向電壓降二極管與同步整流器（SRMOSFET功率損耗進(jìn)行了快速分析，結(jié)果顯示二者的功率損耗存在明顯差別。圖1顯示了一種在二次側(cè)采用整流二極管vs采用同步整流的簡(jiǎn)單反激轉(zhuǎn)換器電路比較。非同步整流變換的功率損耗分析相對(duì)簡(jiǎn)單。二極管的正向電壓和流經(jīng)二極管的平均電流決定了整流管的絕大部分功率損耗。而同步整流電路中的MOSFET損耗較為復(fù)雜。圖2顯示了采用整流二極管和同步整流MOSFET功率損耗差別。當(dāng)使用同步MOSFET時(shí)，總功率損耗由導(dǎo)通損耗、柵極驅(qū)動(dòng)損耗、體二極管損耗和開(kāi)關(guān)損耗構(gòu)成。導(dǎo)通損耗取決于同步MOSFET導(dǎo)通電阻，柵極損耗主要取決于MOSFET寄生特征和開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)損耗取決于多種因素，但重要的MOSFET從導(dǎo)通到關(guān)斷的時(shí)間。

電源適配器生產(chǎn)廠(chǎng)家，還有一個(gè)體二極管（BD項(xiàng)，其在電流斷續(xù)模式（DCM中有兩個(gè)損耗項(xiàng)。項(xiàng)是從一次側(cè)主開(kāi)關(guān)關(guān)斷到SRFET開(kāi)通前的時(shí)間內(nèi)，變壓器二次側(cè)電路中剛開(kāi)始流過(guò)SRFET體二極管的電流。第二項(xiàng)是從二次側(cè)同步整流器控制器關(guān)斷后到二次側(cè)電路放電至零的時(shí)間內(nèi)的流過(guò)SRFET電流。有些實(shí)現(xiàn)方式中，該死區(qū)時(shí)間可能發(fā)生相當(dāng)大的功率損耗。普通的自驅(qū)動(dòng)式（沒(méi)有來(lái)自一次側(cè)的直接控制的二次側(cè)轉(zhuǎn)換器，依靠簡(jiǎn)單的控制技術(shù)和SRFET特征來(lái)決定何時(shí)關(guān)斷SRFET經(jīng)常提前關(guān)斷了二次側(cè)SRFET死區(qū)時(shí)間里，二次側(cè)電流繼續(xù)流動(dòng)，但卻是流經(jīng)MOSFET體二極管，而非MOSFET自身。由于體二極管的正向壓降遠(yuǎn)高于規(guī)范二極管的正向電壓，達(dá)1V左右，即使每個(gè)周期的死區(qū)時(shí)間很短暫，各項(xiàng)損耗加起來(lái)也占到輸出功率的很大比例。解決該問(wèn)題的常見(jiàn)方法是SRMOSFET上并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管（圖1輸出B元件3來(lái)減小該死區(qū)時(shí)間內(nèi)的正向電壓降，進(jìn)而減小功率損耗。

圖2顯示了非同步整流和同步整流方案的功率損耗比擬。同步整流方案有兩個(gè)功率損耗曲線(xiàn)，一個(gè)采用規(guī)范時(shí)序控制的同步MOSFET體二極管，另一個(gè)使用了并聯(lián)肖特基二極管。同步整流方案的功耗節(jié)省很明顯，不過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)尺寸和成本的增加也是顯而易見(jiàn)的

一種替代方案是使用智能數(shù)字控制來(lái)檢測(cè)二次側(cè)同步整流MOSFET漏極和源極電壓來(lái)控制SRFET關(guān)斷，從而將死區(qū)時(shí)間降到短，實(shí)現(xiàn)體二極管損耗小化。來(lái)自Dialog半導(dǎo)體公司的iW671二次側(cè)同步整流控制器，集成了數(shù)字自適應(yīng)關(guān)斷控制電路，可密切監(jiān)測(cè)MOSFET漏極-源極電壓，當(dāng)電壓接近需要關(guān)斷SRFET閾值時(shí)，控制器會(huì)及時(shí)關(guān)斷SRFET并確保SRFET堅(jiān)持關(guān)斷狀態(tài)，而不會(huì)響應(yīng)在FET上的可能發(fā)生的高壓振鈴。這一自適應(yīng)關(guān)斷控制可將死區(qū)時(shí)間限制到50納秒內(nèi)，從而消除了并聯(lián)肖特基二極管的需要。這在堅(jiān)持高效率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，將本錢(qián)和尺寸降到低。該技術(shù)的自適應(yīng)特點(diǎn)有助于它與各種類(lèi)型的MOSFET一起使用，不需要為降低體二極管壓降功率損耗而去選擇特定的MOSFET圖3顯示了iW671將體二極管損耗降到達(dá)到使用并聯(lián)肖特基二極管的效果，因此不需要增加額外的元件。

圖3.二次側(cè)同步整流MOSFET各個(gè)功率損耗項(xiàng)

iW671集成的數(shù)字技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是能夠在低壓條件下正常工作。這對(duì)恒壓恒流便攜式電源適配器很重要。大多數(shù)二次側(cè)控制器由于依賴(lài)于轉(zhuǎn)換器的輸出供電，因此只能在相當(dāng)高的輸出電壓下工作，而限制了轉(zhuǎn)換器在便攜式電源適配器中的有效應(yīng)用。iW671集成了脈沖型線(xiàn)性穩(wěn)壓器電路，允許器件直接從二次電路的未整流輸出獲得電力供應(yīng)，檢測(cè)峰值電壓以及開(kāi)通SR電路，從而在低至2V輸出電壓下也能正常工作。該特性支持CC-CV便攜式電源適配器電路中的正常運(yùn)行，而無(wú)需任何附加元件。

通過(guò)使用iW671控制芯片，設(shè)計(jì)工程師能夠設(shè)計(jì)出效率接近90%便攜式電源適配器。圖4顯示了使用Qualcomm?QuickCharge?2.0技術(shù)為大容量電池快速充電的智能手機(jī)便攜式電源適配器的典型應(yīng)用原理圖。

圖4.非同步整流Qualcomm?QuickCharge?2.0ClassA技術(shù)充電器

這種QuickChargClassA設(shè)計(jì)提供5V9V和12V三種輸出電壓，大輸出功率為15W輸出電壓配置為5V時(shí)的平均效率為81%通過(guò)增加iW671二次側(cè)同步整流器控制（圖55V時(shí)的平均效率可增加至86%比非同步整流方案增加了5%

圖5.具有二次側(cè)同步整流的Qualcomm?QuickCharge?2.0ClassA技術(shù)電源適配器

效率得到明顯提高，足以滿(mǎn)足將于2016年生效的DoElevelVI外置電源規(guī)范和第5版歐盟行為準(zhǔn)則（EUCodeofConducttier2自愿規(guī)范的要求。通過(guò)增加效率而減少散熱，熱管理變得更加容易。假設(shè)電源適配器的實(shí)體尺寸相似，則86%效率的解決方案的外殼溫度將更低，并使關(guān)鍵元件堅(jiān)持更低溫度。實(shí)際工作條件下進(jìn)行的典型測(cè)試顯示，如果將圖4中的電路改為同步方案可以使外殼溫度下降8oC丈量結(jié)果還顯示電路板上關(guān)鍵元件的峰值溫度差高達(dá)12oC實(shí)現(xiàn)了溫度的顯著下降。

便利式電子設(shè)備電源適配器的反激轉(zhuǎn)換拓?fù)涞亩蝹?cè)使用智能數(shù)字同步整流控制技術(shù)，能夠協(xié)助設(shè)計(jì)出符合電源規(guī)范要求的解決方案，降低適配器外殼溫度。這都是消除對(duì)二次側(cè)并聯(lián)肖特基二極管的需要的基礎(chǔ)上，使物料本錢(qián)低并使電源適配器外殼尺寸實(shí)現(xiàn)小化。

ScottBrown– Dialog半導(dǎo)體公司電源轉(zhuǎn)換事業(yè)部高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)

ScottBrown于2013年7月在Dialog半導(dǎo)體公司收購(gòu)iWatt時(shí)隨之加入Dialog2011年10月加入iWatt模擬半導(dǎo)體行業(yè)有20多年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。從親力親為的戰(zhàn)術(shù)營(yíng)銷(xiāo)到高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)戰(zhàn)略籌劃，Scott所有形式的半導(dǎo)體營(yíng)銷(xiāo)領(lǐng)域擁有廣泛經(jīng)驗(yàn)。另外他還在半導(dǎo)體業(yè)務(wù)和職能管理方面有多年經(jīng)驗(yàn)。Scott電源管理市場(chǎng)擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和深厚知識(shí)。加入iWatt前，Scott曾在美國(guó)半導(dǎo)體公司、麥瑞（Micrel安美森半導(dǎo)體公司和CatalystSemiconductor擔(dān)任過(guò)多項(xiàng)營(yíng)銷(xiāo)和管理職務(wù)。

電源適配器生產(chǎn)廠(chǎng)家擁有英國(guó)布魯內(nèi)爾大學(xué)的電氣電子工程學(xué)士學(xué)位。

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